MoS2二硫化鉬薄膜低溫氧等離子體處理對其性能的影響

等離子體是氣體被施加高壓，同時激發出足夠的能量，離化成等離子狀態。這種狀態被視為物質存在的第四種狀態，其內含有活性基、分子、電子和離子等，等離子體整體呈現電中性，常被用來摻雜和刻蝕材料表面。通過氧等離子體處理向MoS2薄膜引入缺陷，可以更加穩定的實現電荷的束縛。

MoS2二硫化鉬薄膜低溫氧等離子體處理對其性能的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-03-31

TMDCs組成的化合物具有三種性質：金屬性、半金屬性和半導體性，如圖1.1所示。MoS2薄膜是TMDCs的一種材料，它具有優異的半導體性可以應用于邏輯電路的制造。

圖 1.1 44 種形成單層 H 型或T 型 MX2 結構的化學式

等離子體是氣體被施加高壓，同時激發出足夠的能量，離化成等離子狀態。這種狀態被視為物質存在的第四種狀態，其內含有活性基、分子、電子和離子等，等離子體整體呈現電中性，常被用來摻雜和刻蝕材料表面。通過氧等離子體處理向MoS2薄膜引入缺陷，可以更加穩定的實現電荷的束縛。

低溫氧等離子體處理過程

涉及的實驗儀器是電容耦合等離子體處理儀，反應原理圖如圖2.2所示。設置的具體參數如下：
（1）樣品分別編號為1^#~4^#，樣品1#作為本征態的樣品不處理；
（2）將單層MoS2薄膜放于基片上，密封后抽真空，直至腔壓力為8Pa，之后通入氣源（氧氣），使反應腔內壓力保持在~28Pa；
（3）功率調至50W，在13.56MHz放電頻率下，開始進行輝光等離子體放電，當看見腔內出現輝光時，開始計時；
（4）樣品2^#-4^#分別計時10s、20s和40s，停止輝光放電。

圖2.2 低溫等離子體處理儀的原理示意圖

處理后樣品光學顯微鏡圖像
MoS2器件的研究日益受到關注，通過等離子體的處理改變材料的性能，在未來也有著重要的研究價值。低溫氧等離子體處理后光鏡圖，如3.3所示，可以看出處理對樣品的形貌造成了較大的改變。
圖3.3（b）展示了樣品在低溫等離子體環境中反應了10s，可以發現處理后單層MoS2薄膜的顏色接近于襯底顏色；圖3.3（c）為處理20s后樣品的光鏡圖；圖3.3（d）為處理40s后樣品的光鏡圖，可以看出樣品的形態發生了改變。光鏡圖只能表征樣品的宏觀的信息，如需探究樣品的內部結構變化需要運用Raman和AFM測試配合分析。

圖 3.3 低溫氧等離子體處理后單層 M o S 2 薄膜的光學顯微鏡圖。（a）樣品 1 # 的光鏡圖，（b）樣品 2 # 處理 1 0 s 的光鏡圖，（ c）樣品 3 # 處理 2 0 s 的光鏡圖和（ d）樣品 4 # 處理 4 0 s 的光鏡圖。

處理后樣品拉曼散射光譜的變化
前文已經闡述了處理前單層MoS2薄膜拉曼峰位置的情況，面內振動峰E12g位于387.3cm^-1和面外振動峰位置A1g位于405.5cm^-1左右。低溫氧等離子體處理后單層MoS2薄膜的Raman散射光譜，如圖3.4所示。

圖 3.4 低溫氧等離子體處理后單層 MoS2 薄膜的Raman散射光譜圖。

經過10s處理后，可以觀察到單層MoS2薄膜的E¹₂g和A₁g的峰位向右發生了較大的偏移，峰強有了較大的減弱，但兩峰位的間距沒有發生明顯的改變。峰位向高波數移動，即材料內部被引入P型摻雜。在反應腔中反應20s后，Raman散射光譜圖中E12g和A1g的峰位相較于處理10s的樣品又向右偏移，峰強產生了很大的降低。反應40s后單層MoS2薄膜的兩個特征峰消失，表明反應后光鏡中的材料已經不是單層MoS2薄膜。產生上述現象的原因是低溫氧等離子體處理后，MoS2薄膜中被摻入了氧原子以及反應生成的Mo的多種氧化物。樣品峰位的改變最大的原因是外層的S原子被O原子替代，引起外層晶格平面的改變。由于Mo的多種氧化物處于亞穩態，極易向穩定態的MoO3轉變，下文皆以MoO3做解析，其反應化學式為。

2MoS₂+7O₂→2MoO₃+4SO₂

AFM表征等離子體處理前后單層二硫化鉬薄膜的表面形貌
材料表面形貌影響器件的性能，當材料的粗糙度值Ra較大時，電極與材料產生接觸問題，造成接觸勢壘增大，降低器件性能。納米材料表征中應用最為廣泛的是AFM，最基本的是可以對形貌進行表征，AFM還可以從多角度研究納米材料的電學和力學性能。

低溫氧等離子體處理前后單層MoS2薄膜的形貌圖如3.5所示。從圖3.5（a）中可以看到樣品的表面均勻，幾乎看不到雜質，僅在單層MoS2薄膜周圍的區域殘留少量的膠。本次實驗采用的是機械剝離后，直接轉移，依靠單層MoS2薄膜和SiO2/Si之間的范德華力吸附在襯底表面，不會出現熱轉移產生的褶皺和鼓泡現象。低溫氧等離子體處理10s后，樣品的形貌發生了變化，表面出現較多裂紋，如圖3.5（b）。發生上述現象的原因是樣品在低溫氧等離子體的環境中，氧離子打破了Mo-S鍵，在晶界處形成裂紋，產生了可以觀測的形貌變化。明顯看出樣品3#的厚度小于樣品2#，產生該現象的原因是處理20s后出現刻蝕效應，減薄樣品。反應40s后MoS2薄膜的形態消失，變化為顆粒狀物質。分析現象產生的原因是在長時間的劇烈條件下樣品的Mo-S鍵全部被打破，Mo原子和原子發生了較為復雜的反應（生成MoO₃），導致樣品厚度增加。

圖 3.5 低溫氧等離子體處理后單層 M o S 2 薄膜形貌圖。（a）樣品 1 # 的厚度~ 1 nm；（ b）樣品 2 # 的厚度~ 5 nm；（ c）樣品 3 # 的厚度~ 3.5 nm；（ d）樣品 4 # 的厚度~ 6 nm。

本文通過光學顯微鏡、Raman和AFM探究了低溫氧等離子體處理前后樣品微觀結構的變化。分析Raman散射光譜的變化，發現經過低溫氧等離子體處理后，樣品的兩個峰位都向右發生偏移，原因是樣品在處理過程中引入了p型摻雜。通過AFM探索樣品的表面形貌和粘附力，發現樣品的粗糙度和粘附力的均方根值呈現先增大后減小的趨勢，原因是經過短時間的處理，單層MoS2薄膜表面吸附了較多活性基團，親水性增強，造成粘附力值增大；經較長時間反應后，單層MoS2薄膜表面物理性質發生改變，生成（MoO₃），粘附力的均方根值降低。